Abstract :
[en] The receivers in Concentrated Solar Power (CSP) plants of this study are made of vertical panels of metallic tubes in which molten salt flows. The salt is heated by the solar radiation hitting the surface of the tubes and the heat it carries is then used to produce electricity. The daily thermal loading/unloading of the solar receivers causes a combination of high temperature creep and fatigue in the receiver tubes. Additionally, the presence of molten salt inside the tubes can lead to severe corrosion. For this technology to be profitable, the lifetime of the solar receiver should be at least of 25 years. The objective of this thesis is the modelling of the thermomechanical behaviour of receiver tubes made of nickel alloy 230 and the prediction of their lifetime under the conditions encountered in the field of CSP.
In a first stage, an extensive experimental campaign was launched to assess the mechanical behaviour of alloy 230 at different temperatures and under various loading conditions. Additionally, a metallographic analysis of part of the tested samples was conducted to understand the micro-scale phenomena responsible for the macroscopic behaviour of alloy 230. In a second stage, based on the results of the experimental campaign and on results found in the scientific literature, a behaviour model based on the Chaboche framework was selected and implemented in the finite-element code Lagamine developed at the University of Liège. A specific formulation was proposed for the temperature-dependence of the model parameters. Consecutively, a damage model was associated to the behaviour model to predict the lifetime of the tubes under fatigue and creep, and the combination of both. This damage model is based on the unified Lemaitre damage model which is compatible with the Chaboche framework. In a third stage, the modelling of corrosion was added, for which a simplified model was created based on limited experimental data from the literature to simulate uniform corrosion. The resulting full model (behaviour, damage, and corrosion) is highly complex and requires long computational times for the precise modelling of the receiver tubes. In this respect, two methods were developed to make calculations faster using simplifying hypotheses. Both methods proved to be efficient for the reduction of computational time, but only one of the methods is really reliable in terms of accuracy of the results.
Finally, one receiver tube was modelled using the finite-element model and its lifetime was evaluated for a specific loading case. The results showed that the estimated lifetime exceeded the target of 25 years, and that uniform corrosion did not have a significant impact on the lifetime and behaviour.
[fr] Les récepteurs des centrales solaires thermiques à concentration de cette étude sont constitués de panneaux de tubes métalliques verticaux dans lesquels circule du sel fondu. Ce sel est réchauffé par le rayonnement solaire concentré sur la surface des tubes, et la chaleur ainsi emmagasinée est ensuite utilisée pour la production d’électricité. Le chargement/déchargement thermique journalier des récepteurs solaires provoque à la fois du fluage à haute température et de la fatigue. Par ailleurs, la présence de sel fondu à l’intérieur des tubes peut créer d’importants problèmes de corrosion. Pour que ce type de technologie soit rentable, on estime qu’une durée de vie minimale de 25 ans est nécessaire pour le récepteur solaire. L’objectif de cette thèse est de modéliser le comportement thermomécanique des tubes de récepteurs solaires en alliage 230 (alliage de nickel) et de prédire leur durée de vie.
Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été lancée pour étudier le comportement thermomécanique de l’alliage 230 à différentes températures et sous divers chargements. En outre, une analyse métallographique a été menée sur une partie des éprouvettes testées pour comprendre les phénomènes microscopiques responsables du comportement macroscopique de l’alliage. Dans un second temps, à partir des résultats expérimentaux et de résultats de la littérature, un modèle de comportement basé sur la loi constitutive de Chaboche a été choisi et implémenté dans le code éléments finis Lagamine développé à l’université de Liège. Une formulation spécifique a été proposée pour exprimer la dépendance à la température des paramètres du modèle. Ensuite, un modèle d’endommagement a été associé au modèle de comportement pour prédire la durée de vie sous fatigue, fluage, ou une combinaison des deux. Ce modèle est basé sur le modèle unifié de Lemaitre, qui s’intègre facilement à la loi de Chaboche. Dans un troisième temps, un modèle simplifié a été créé pour simuler la corrosion uniforme en se basant sur les données expérimentales disponibles dans la littérature. Le modèle complet (comportement, endommagement, et corrosion) est très complexe et nécessite de longs temps de calcul pour modéliser précisément les tubes de récepteur. Deux méthodes ont donc été mises en place pour réduire les temps de calcul en utilisant des hypothèses simplificatrices. Les deux méthodes ont permis de réduire significativement les temps de calcul, mais une seule des deux s’est avérée vraiment fiable et précise.
Enfin, un tube de récepteur a pu être modélisé en utilisant le code élément fini et sa durée de vie a été estimée pour un cas de charge particulier. Les résultats montrent que la durée de vie estimée est supérieure à l’objectif de 25 ans, et que la corrosion uniforme n’a pas d’impact significatif sur la durée de vie, ni sur le comportement mécanique du récepteur
